Файл: Биотехнология, ее роль в нтп. Основные направления. Генетическая инженерия, понятие о гене и способы его получения.pdf

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Кафедра микробиологии, вирусологии, иммунологии с курсом клинической микробиологии
Биотехнология, ее роль в НТП. Основные направления.
Генетическая инженерия, понятие о гене и способы его получения.
Выполнила:
студентка 2 курса, 15 группы лечебного факультета
Егорова София Сергеевна
Проверил:
К. б. н. Рябинин Александр Константинович

г. Волгоград 2023 1

Оглавление:
Введение
2
Основная часть
4
Заключение
17
Список использованной литературы
18 2

Введение
Биотехнология - одна из важнейших современных научных дисциплин,
необходимых выпускникам медицинских вузов независимо от их специализации: биотехнологические методы все более интенсивно проникают в практику диагностики, профилактики и лечения различных заболеваний,
современные же концепции биотехнологии способствуют формированию мировоззрения человека,
адекватного стремительному течению научно-технического прогресса в современном мире.
В настоящее время биотехнология решает проблемы не только медицины или создания пищевых продуктов путем ферментации (традиционной области ее применения); с ее помощью ведется, например, разработка полезных ископаемых, решается проблема энергоресурсов, ведется борьба с нарушениями экологического равновесия и т.д.
В современных условиях нередко наблюдается тесное переплетение биотехнологии и биоорганической химии. Так, при получении многих лекарственных веществ используются перемежающиеся этапы био- и органического синтеза с последующей трансформацией целевых продуктов,
осуществляемой биологическим или химическим методом. При обсуждении перспектив биотехнологии и се стратегических целей все чаще подчеркивается ее связь с молекулярной биологией и молекулярной генетикой. Широкое распространение получило понятие молекулярной биотехнологии как научной дисциплины, уже в основном сформировавшейся на стыке технологии рекомбинантной ДНК (генетическая или генная инженерия) и традиционных биологических дисциплин, в первую очередь микробиологии, что объясняется техническими причинами более легкого оперирования микробными клетками.
3

Современная биотехнология, основанная на достижениях молекулярной биологии, молекулярной генетики и биоорганической химии (на практическом воплощении этих достижений), выросла из биотехнологии Л. Пастера и, являясь также строго научной, отличается от последней прежде всего тем, что она способна создавать и использовать в производстве природные биообъекты, что отражается как на производственном процессе в целом, так и на свойствах новых биотехнологических продуктов.
В настоящее время интенсивно растет количество таких успешно применяемых в медицине биотехнологических продуктов, как рекомбинантные белки, вторичные метаболиты микроорганизмов и растений, а также полусинтетических лекарственных агентов,
являющихся продуктами одновременно био- и оргсинтеза.
4

Основная часть
Биотехнология представляет собой область знаний, которая возникла и оформилась на стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии,
химической технологии и
ряда других наук.
Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология (от греч. bios - жизнь, teken - искусство, мастерство, logos - наука, умение, мастерство) - это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей;
получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов). Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами:
●
клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки,
жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны,
антитела, антигены, ферменты, спирты и пр.). Эти продукты, крайне необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения
«небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного производства;
● клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных
5

масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;
● биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса - значительно ниже;
● возможность проведения биотехнологического процесса в
промышленных масштабах,
т.е.
наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья,
технологии переработки и др.
Клетки животных и
растений,
микробные клетки в
процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием.
Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных делят на 4 категории:
1) сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи - как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.;
2) крупные молекулы (макромолекулы), которые синтезируются клетками в процессе выращивания: ферменты, токсины, антигены, антитела,
пептидогликаны и др.;
3) первичные метаболиты - низкомолекулярные вещества, необходимые для роста клеток (аминокислоты, витамины, нуклеотиды, органические кислоты);
6

4) вторичные метаболиты (идиолиты) - низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста клеток (антибиотики, алкалоиды, токсины,
гормоны).
Биотехнология использует эту продукцию клеток как сырье, которое в результате технологической обработки превращается в конечный продукт. С
помощью биотехнологии получают множество продуктов, используемых в различных отраслях:
● медицине (антибиотики, витамины, ферменты, аминокислоты, гормоны,
вакцины, антитела, компоненты крови, диагностические препараты,
иммуномодуляторы, алкалоиды, пищевые белки, нуклеиновые кислоты,
нуклеозиды, нуклеотиды, липиды, антиметаболиты, антиоксиданты,
противоглистные и противоопухолевые препараты);
● ветеринарии и
сельском хозяйстве кормовой белок: кормовые антибиотики, витамины, гормоны, вакцины, биологические средства защиты растений, инсектициды);
● пищевой промышленности (аминокислоты, органические кислоты,
пищевые белки, ферменты, липиды, сахара, спирты, дрожжи);
● химической промышленности (ацетон, этилен, бутанол);
● энергетике (биогаз, этанол).
Следовательно, биотехнология направлена на создание диагностических,
профилактических и лечебных медицинских и ветеринарных препаратов, на решение продовольственных вопросов
(повышение урожайности,
продуктивности животноводства, улучшение качества пищевых продуктов - молочных, кондитерских, хлебобулочных, мясных, рыбных); на обеспечение мно- гих технологических процессов в легкой, химической и других отраслях
7

промышленности. Необходимо отметить также все возрастающую роль биотехнологии в экологии, так как очистка сточных вод, переработка отходов и побочных продуктов, их деградация (фенол, нефтепродукты и другие вредные для окружающей среды вещества)
осуществляются с
помощью микроорганизмов.
В настоящее время в биотехнологии выделяют медико-фармацевтическое,
продовольственное, сельскохозяйственное и экологическое направления. В
соответствии с этим биотехнологию можно разделить на медицинскую,
сельскохозяйственную, промышленную и экологическую. Медицинская в свою очередь подразделяется на фармацевтическую и иммунобиологическую,
сельскохозяйственная - на ветеринарную и биотехнологию растений, а промышленная - на соответствующие отраслевые направления (пищевая, легкая промышленность, энергетика и т. д.). Биотехнологию также подразделяют на традиционную (старую) и новую. Последнюю связывают с генетической инженерией.
Общепризнанное определение предмета
«биотехнология»
отсутствует и даже ведется дискуссия о том, наука это или производство.
Видимо,
правильно будет определить биотехнологию как сферу деятельности, которая на основе изучения процессов жизнедеятельности живых организмов,
главным образом клеток микроорганизмов,
животных и
растительных клеток, использует эти процессы и сами объекты для промышленного производства продуктов, необходимых в жизни человека, а также получения биоэффектов, ранее не встречавшихся в природе (например,
получение рекомбинантных бактерий, трансгенных растений и животных).
В биотехнологии, как в никакой другой области знаний, тесно увязываются,
интегрируются наука и производство. Промышленное производство в биотехнологии по сути основано на нескольких принципах: брожении
(ферментация), био- конверсии (превращение одного вещества в другое),
культивировании растительных и животных клеток, бактерий и вирусов,
генетических манипуляциях.
Реализация этих научных принципов в
производстве потребовала разработки промышленного оборудования и
8

аппаратуры, отработки и оптимизации технологических процессов, разработки способов оценки и контроля продукции на всех ее стадиях.
Современная биотехнологическая промышленность располагает крупными заводами,
опытно-конструкторскими учреждениями,
научно-исследовательскими институтами. Фундаментальными проблемами биотехнологии заняты научно-исследовательские институты РАН, РАМН и ряд прикладных отраслевых институтов.
На заводах микробиологической (биотехнологической) промышленности ежегодно производятся миллионы тонн кормового белка, десятки тысяч тонн ферментов, антибиотиков, сотни диагностических и профилактических вакцинных и иммунных препаратов, набор практически всех аминокислот,
витаминов, гормонов, спиртов, органических кислот и много другой продукции.
Однако потребности быстро растущего народного хозяйства биотехнология удовлетворяет еще далеко не в полной мере. Поэтому развитию биотехнологии в настоящее время уделяется постоянное внимание, и эта отрасль быстро развивается.
Микроорганизмы, клетки и процессы, применяемые в биотехнологии.
В природе существует огромное число микроорганизмов. Все они способны синтезировать продукты или осуществлять реакции, которые могут быть полезны для биотехнологии. Однако практическое применение нашли не более
100 видов микроорганизмов (бактерии, грибы, Дрожжи, вирусы, водоросли), так как ос- тальные мало изучены.
Дрожжи широко используют в хлебопечении, пивоварении, виноделии,
получении соков, кормового белка, питательных сред для выращивания бактерий и культур животных клеток. Из 500 известных видов дрожжей используется только несколько видов- Saccharomyces cerevisiae, carlsbergencis,
Saccharomvces Saccharomyces uwarum.
9

Среди бактерий чаще всего применяют в биотехнологии представителей следующих родов: Acetobacter, которые превращают этанол в уксусную кислоту и уксусную кислоту в углекислый газ и воду; Bacillus - для получения ферментов (B. subtilis), средств защиты растений (B. thuringiensis); Clostridium - для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, бутанол; молочнокислые бактерии
(Lactobacillus,
Leuconostoc,
Streptococcus);
псевдомонады- например
P.
denitrificans - для получения витамина в..,Corynebacteriumglutamatum- для получения аминокислот и др.
Для получения разнообразных антибиотиков в биотехнологии применяют актиномицеты
(род
Streptomyces),
грибы
Penicillium chrysogenum,
Cephalosporium acremonium и др.
Многие микроорганизмы - бактерии, дрожжи, вирусы - используют в качестве реципиентов чужеродного генетического материала с целью получения рекомбинантных штаммов - продуцентов биотехнологической продукции.
Получены рекомбинантные штаммы E. coli , продуцирующие интерфероны,
инсулин, гормон роста, антигены вируса СПИДа; штаммы B. subtilis,
вырабатывающие интерферон;
штаммы дрожжей,
продуцирующих интерлейкин-2,
антиген вируса гепатита
В;
рекомбинантные вирусы осповакцины, синтезирующие антигены гепатита В, вируса бешенства,
клещевого энцефалита и др. Для получения вакцин и диагностических препаратов используют также патогенные микроорганизмы (брюшного тифа,
коклюша, дифтерии, столбняка и др.).
Широкое применение в биотехнологии нашли культуры животных и растительных клеток. Известно, что строение, физиология и биотехнология животных и растительных клеток более сложны, чем бактериальных клеток. Из культур животных и растительных клеток можно извлечь более широкий ассортимент сложной и ценной продукции, однако процесс культивирования растительных и животных клеток более трудоемкий и дорогостоящий. Из культур тканей растений можно получать разнообразные соединения,
используемые в медицине (алкалоиды, противовоспалительные вещества,
10

противолейкозные и противоопухолевые, противобактериальные, сердечные и почечные средства, ферменты, витамины, опиаты и др.), сельском хозяйстве,
химической и других отраслях промышленности. Животные клетки используют как для получения продукции, синтезируемой клетками, так и для выращивания в клетках вирусов с целью получения из них вакцин и диагностических препаратов.
Технология получения продуктов микробного или клеточного синтеза.
Основным условием для успешного проведения технологического процесса является выбор или получение высокопродуктивного промышленного штамма-продуцента и поддержание его в активном состоянии. Известно, что различные штаммы по количеству и качеству продукции того или иного вещества (фермента, антибиотика, витамина, аминокис- лоты, антигена,
алкалоида и др.) могут существенно отличаться. Естественно, что от этого в значительной мере зависят экономическая эффективность и активность целевого продукта.
Вторым важным условием является подбор питательных сред,
обеспечивающих максимальное накопление биомассы или целевого продукта;
питательные среды должны состоять из дешевого, недефицитного и доступного сырья, поскольку при промышленном культивировании микроорганизмов потребляются огромные их количества. В крупномасштабном производстве для приготовления питательных сред служит обычно сравнительно дешевое сырье
(меласса, парафины нефти, дрожжи, уксусная кислота, природный газ). Более ограниченное применение, главным образом при получении медицинских препаратов, находят казеин, препараты крови, среды из мясных гидролизатов.
Для выращивания животных клеток применяют питательные среды,
имеющие сложный состав. Они компануются из высококачественного сравнительно дорогого сырья (аминокислоты, соли, ростовые факторы). В
последнее время успешно разрабатываются питательные среды для культур клеток из гидролизатов казеина, дрожжей, мяса и крови. Для получения
11